去斜率信号的极坐标格式成像算法的fpga实现方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及SAR成像技术领域及数字信号处理技术领域，特别涉及利用FPGA实现 PFA算法去斜率信号处理的实现方法，可应用于合成孔径雷达实时成像处理。
【背景技术】
[0002] 合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR)能够全天候和全天时地获取高 分辨地面图像，在军事和民用领域都获得了广泛应用，已经成为现代雷达技术领域的重要 发展方向。聚束SAR通过调整波束指向长时间照射固定区域获得高分辨的图像，目前实时 聚束SAR成像中应用最多的是极坐标格式算法（Polar Format Algorithm, PFA)，PFA通过 两维插值和两维快速傅里叶变换（IFFT)实现，处理过程较为简单，但是插值过程导致计算 量大且精度不高的问题。基于CZT(Chirp-Z变换）的极坐标格式算法在方位向采用Chirp Z 变换来代替插值和方位压缩过程，因此CZT能在减少方位向处理计算量的同时消除插值误 差所产生的影响。但是，基于CZT的方法在距离向仍需要插值处理。而基于Chirp Scaling 原理（尺度变化原理，PCS)的极坐标格式算法能以两次FFT的代价实现距离向插值，同时 在正侧视情况下，方位向也能用PCS来代替插值，大大减小了计算量。由于整个算法由FFT 和向量乘法运算构成，进一步提高了运算效率，更加有利于硬件实现。
[0003] 解线性调频脉压方式是针对线性调频信号提出的，对不同延迟时间信号进行脉冲 压缩，在一些特殊场合，它不仅运算简单，并且还可以简化设备，降低采样速率，减小对存储 单元的要求，已经广泛应用于SAR和ISAR中。对于去斜率信号处理也可以采用极坐标格式 算法，在正侧视情况下，可以用PCS代替两维插值，大大的减少了计算量，节省处理时间。
[0004] 实时数字信号处理的实现手段主要有数字信号处理器（Digital Signal Processor, DSP)和大规模可编程器件（Field Programmable Gate Array, FPGA)。在 SAR 系统发展初期，DSP获得了广泛的应用。然而，随着SAR成像系统在性能、功耗以及可靠性 等方面的要求不断提高，DSP已经越来越不能满足实时性的要求。而FPGA可以利用大规模 的逻辑单元和片内存储器以及高速总线、流水处理等特有的硬件结构，快速完成FFT、复数 乘法加法、CORDIC算法等数字信号处理基本运算。正是由于基于FPGA的信号处理系统具 有极强的运算能力、丰富的可扩展性以及系统可重构等优点，因此特别适合数据率高、运算 量极大的雷达成像信号处理系统。
[0005] 雷达实时处理系统，主要的载体是飞机，飞行器等，这些设备的载重都有一定的容 限，因此要求实时处理系统具有体积小，重量轻，功耗低的特点。因此对于处理系统芯片的 选择，要求单块芯片具有较高的工作性能，尽量避免构建过多芯片的处理系统，以此减小处 理系统的体积，降低系统的功耗。雷达在录取回波数据时，采样一个脉冲后，对脉冲完成距 离向处理，当所有脉冲采样结束以后，再进行方位向操作，基于这种工作方式，采用串行处 理方式，既节省硬件资源，又不会影响系统的工作效率。片内存储单元非常宝贵，可以用来 存放雷达参数，算法处理的中间运算结果。雷达回波的参数较多，如果参数全部存放在片 内存储单元中，会妨碍算法处理时对片内存储器的分配。但由于雷达参数只需要在系统初 始化时加载一次，不需要循环操作，因此可以利用外带的存储资源来存放雷达参数，初始化 时，从片外加载一次即可。基于这样的背景，运用PCS的极坐标格式算法对去斜率信号进行 处理，并运用FPGA进行硬件实现，不但可以简化接收设备，减小内存的消耗，还可以提高运 算效率，减少处理时间，因此特别适合雷达实时处理。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种去斜率信号的极坐标格式成像算法的FPGA实现方法， 该实现方法结合雷达信号处理的特点及FPGA内部硬件优势，实现了 PFA算法去斜率信号处 理的硬件实时处理，相比于利用DSP，实时处理能力更强，功耗更低。
[0007] 本发明采用的技术方案为：一种去斜率信号的极坐标格式成像算法的FPGA实现 方法，包括以下步骤：
[0008] 1)利用上位机与PCIe接口把雷达回波与雷达回波参数写入到KC705板卡上的 DDR3内存条中。
[0009] 2)从DDR3中读取雷达参数，并输出到雷达参数缓存模块中。
[0010] 3)进行参考距离补偿处理：
[0011] d.利用FPGA自带的Cordic IP核计算参考距离补偿相位。 _2]
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[0013] 式中，载机航迹到场景中心的最短路径为R。，Ra表示天线中心到场景中心的距离， f。为载频，k为距离向调频斜率，τ代表距离向快时间，j为虚数单位，c为光速，π为圆周 率。
[0014] e.从DDR3读取单个雷达回波脉冲
[0015] f.雷达回波与参考距离补偿相位做复乘以后，进行距离向处理。
[0016] 4)进行距离向处理，分为以下6个步骤：
[0017] b.对步骤2)得到的数据乘以二次相位函数。
[0018]
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[0019] 式中，δ r代表距离向尺度因子。
[0020] h.调用Xilinx的FFT IP核对步骤a得到的数据做快速傅里叶变换（FFT)运算。
[0021] i.对步骤b得到的数据乘以匹配滤波函数。
[0022]
(3)
[0023] 式中，1代表距离向采样频率。
[0024] j.调用Xilinx的FFT IP核对步骤c得到的数据做快速逆傅里叶变换（IFFT)运 算。
[0025] k.对步骤d得到的数据乘以二次相位函数。
[0026]
'⑷
[0027] 1.对步骤e得到的数据转置写入到DDR3内存条中。
[0028] m.重复⑵~（3)直到处理完所有距离向脉冲数据。
[0029] 5)进行方位向处理，分为以下7个步骤：
[0030] k.从DDR3内存条中读取一个方位向脉冲数据。
[0031] 1.对方位向脉冲数据乘以滤波函数，
[0032] hi (t) = exp (j n kat) (5)
[0033] 式中，t代表方位向慢时间，匕代表方位向调频斜率。
[0034] m.调用Xilinx的FFT IP核对步骤b得到的数据做快速傅里叶变换（FFT)运算。
[0035] η.对步骤c得到的数据乘以频域二次相位函数。
[0036] C6)
[0037] 式中，ft代表方位向采样频率，δ a代表方位向尺度变换因子。
[0038] 〇.调用Xilinx的FFT IP核对步骤d得到的数据做快速逆傅里叶变换（IFFT)运 算。
[0039] p.对步骤e得到的数据乘以滤波函数，
[0040] h2 (t) = exp (-j π ka δ at2) (7)
[0041] q.调用Xilinx的FFT IP核对步骤f得到的数据做快速傅里叶变换（FFT)运算。
[0042] r.对步骤g得到数据乘以频域二次相位。
[0043]
'(.B)
[0044] s.对步骤h得到的数据转置写入到DDR3中。
[0045] t.重复a~i直到处理完所有方位向脉冲数据。
[0046] 6)进行距离向IFFT处理，分为以下3个步骤：
[0047] e.从DDR3内存条中读取一个距离向脉冲数据。
[0048] f.调用Xilinx的FFT IP核对距离向脉冲数据做快速逆傅里叶变换（IFFT)运算。
[0049] g.对步骤b处理得到的数据连续写入DDR3中。
[0050] h.重复a~c知道处理完所有距离向脉冲数据。
[0051] 7)利用PCIe接口从DDR3中，把处理后的数据读取到PC机中，画图并显示。
[0052] 有益效果：本发明基本思想是利用FPGA、PCIe接口，DDR3内存等硬件资源，根据 PFA算法处理流程，设计FPGA控制状态机，编写代码，实现在FPGA芯片中处理去斜率信号回 波数据。硬件实现过程中，结合雷达信号与PFA算法处理的特点，采用了以下两个方式来